【5G网络新技术及未来发展前景研究-以医院信息化建设为例10000字（论文）】

5G网络新技术及未来发展前景研究—以医院信息化建设为例TOC\o"1-2"\h\u18011第一章引言 第一章引言5G技术在2020年正式上市，目前标准化工作如火如荼，5G网络的目标就是为了给用户提供更高的Gbps速率，最大速率的时候能超出4G的10倍，端到端的延迟较之前相比，可以降低到0.1秒内，用户体验更快的速度。在未来，5G需求的领域也会越来越多，智能家居与物联网以及AI技术等都将与5G息息相关，是主要的研究方向。随着信息网络时代的发展，对移动通信网络的要求逐渐增加。为了满足公众的实际需求，在原始移动通信网络技术的基础上，进一步研究了该团队的5G移动通信网络。与4G移动通信网络相比，5G移动通信网络的传播速度大大提高。同时，通过提高频谱利用率，可以进一步提高信息资源的利用率，信息空间通信的优势更加明显。为此，5G移动通信网络技术的有效应用可以进一步提高信息发布的速度，满足现代人的在线需求，并进一步提高信号覆盖率以确保稳定性。移动信号。5G移动通信作为新时代网络通信的研究对象，以4G移动网络为基础，继续致力于无线信号覆盖的研究工作，致力于信号传输的稳定性，并结合智能技术的应用，具有可变性，未来的发展趋势更加智能。总而言之，互联网时代的发展导致了移动网络新技术的出现。现代人对通信网络提出了更高的要求，必须保证移动信号的稳定性和信息传输的速度。为此，5G移动通信网络的搜索速度正在加快。在新的传输技术和网络技术的基础上，进一步构建了更加实用的移动网络，以促进移动通信的发展，使其变得更加智能，并开创了更加现实的移动通信时代。第二章5G新型网络架构及关键技术研究2.15G新型网络架构欧盟METIS项目团队在对5G进行蓝图展望时，认为在2020年5G可以开始投入市场进行商业化，从个人信息使用逐渐增加到其他行业，研发5G时主要目标是改进移动宽带（eMBB），高可靠性和低延迟通信（uRLLC）以及大型机器通信（mMTC）的开发类型。以5G为主的未来移动通讯，将会要求更高的网络架构，例如软件定义的网络。基本思想是抽象控制平面，即将控制平面与数据平面分离。所谓的控制平面是信令。对于在小区之间高速旅行的用户，仅应切换用户数据链路，而无需切换信令链路。另外，微电池的数量正在增加，并且不能由电池独立地管理，并且小的分组是必要的，因此非晶电池将在未来出现。其中，用户的上，下信号和数据不必在同一小区中发送，并且独立于用户信号和数据的传统移动通信在同一小区中。在5G中，信令和用户数据传输路径可以不同，上游的传输路径也可以区别于下游的获取方式，这样就增加了数据运输的灵活性，控制平面与数据平面之间也可以相互分开，使用不同的网络系统，并且上行链路和下行链路传输链路也彼此分开。也将基于关于信道状态的特定信息来确定不同传输链路的选择，达到最佳传输能力。系统在使用时需要消耗大量的IT资源，折旧需要云计算的技术服务支持，协调多个微基站。云计算服务技术也是当前较为热点的研究问题。在5G的研究与发展中，云计算也成为支持5G发展的一项重要技术，我们要解决宽带访问云服务时造成的延迟问题。例如一些远程办公的行业对此的要求是非常高的，例如医疗行业就特别的敏感，当前并没有稳定合适的云服务以提供这一需求。在此问题上，思科全球研发中心总裁FlavioBonomi又新提出了一个雾计算的概念。雾计算的概念与云计算是类似的，采用的是处于云计算和计算机服务终端的中间介质状态。实际上，计算机迷雾正在削弱移动通信系统中的某些云计算功能。5G的出现进一步削弱了称为MEC技术的这些功能。将来，将密集部署5G中小型基站。这些设备必须连接到中央计算机室才能访问中央网络。在目前的实施的现状中，链路主要由回程光纤构成。微蜂窝的设计理念会导致光纤铺设的密集程度增加，结构设计和维护成本也相应增加了很多。为了解决这一方案，增加小区之间的灵活性，网络的使用通信需要将链路和无线中继链路相结合，以降低运营成本。考虑到当前的市场发展，毫米波连接是一个不错的解决方案。目前移动通信现存在的微波频带是600MHz的带宽，但使用5G则需要大概而1GHz的带宽要求。因此，寻找到合适的新的频带资源是使用5G技术要解决的一个关键点。毫米波可以提供更高的系统容量，在未来具有巨大的发展空间。5G的发展是一种超密集的异构网络，无线超高技术与无线网络技术是支持5G的技术要求，大规模使用先进空中接口与无线传输技术在未来将能大量的增加宽带系统。该技术也有难题，主要为大型的建模与控制性，PD技术的使用将会在未来数据连接时提高频谱效率。学术界对于超密集网络（UDN）的发展与研究非常的关注，如何提高UDN网络容量是非常关注的问题，一般可采用网络协调和干扰控制等核心技术来解决。2.2移动边缘计算技术当前增强现实技术（AugmentedReality，AR）和虚拟现实技术（VirtualReality，VR）也受到了人们的追捧，在这基础上衍生了大量的AR和VR产品。这些产品对于市场的冲击也增加了网络技术的服务支持要求，用户对于网络的要求程度越来越高，要快，要稳定，而传统的移动通讯应对这爆炸式的需求增长是不足以应对的。为了缓和当前的问题，移动采用了部署微蜂窝的方案来增加系统的容量，以暂时满足用户的要求。但是这只是暂时性的解决问题，根本上我们应该构建新的网络结构，提高根本的网络容量，才能满足用户对于网络的要求。传统的移动通信系统，所有的资源都会集中部署在数据服务中心上，用户在请求使用时就需要接入一个数据中心，来获取资源，这会造成延时，而移动边缘计算技术能解决这一难题的一项技术，采用分布式的存储方式，用户可以就近进入最近的部署计划，从而减少等待的时间和延迟。移动边缘计算技术的概念最早出现于欧洲电信标准中，其基本结构如图2.3所示。为了满足扩展终端计算机的需求问题，CEM采用减少外围网络节点的方式，减少IT需求，在这过程中还解决了传统云计算能力不足的问题。下文从不同的方面对MEC与5G发展关系进行分析，包括MEC涉及的关键技术，例如用户和服务感知以及跨层优化。首先是企业和用户的看法。传统的移动通信网络是“愚蠢的通道”。定价和业务模型相对简单，缺乏感知和控制业务和用户的能力。响应于此问题，内容知识是5G通信网络智能发展趋势的重要特征。得益于对内容的了解和对网络数据流量的分析，可以改善数据粘附性。MEC在解决问题时，非常看重对公司和用户的感知。在设计时发现如果降低外围设备的计算能力，可以快速的识别到用户的信息和使用的数据流量。这有助于商业数据的获取和商业信息的分析。根据用户信息对他们提供差细化的系统服务，增强用户的服务体验。图2.3MEC系统基本架构现阶段，有些运营商在研究中不断尝试深度数据包分析与其他技术的结合使用，相比之下，MEC所采用的无线端的数据效果更加用户化，更加符合用户资源的需求，用户的体验较好，不过MEC也存在一些问题，MEC服务器的计算能力不如与IT资源和核心网络设备设备的计算能力，数据运行分析受到了限制。据此，MEC的内容感知技术在当前的研究中还具有非常大的进步空间。5G的智能化发展也能刺激通讯系统的管网铺设能力。跨层优化，是一项为了提高网络性能，而对通信系统之间的不同层（例如物理层和网络层）进行整体协调与规划。学术界对于跨层优化的研究热情也很高涨，在当前只停留在学术阶段，实际网络数据使用中运用并不多，毕竟不同层级之间的联通变动挑战还是非常大的。为了解决这个问题，MEC几经研究提出了解决方案，MEC可以将获得的应用层数据部署在无线侧，这有利于用户获得有关物理层数据的信息。各层之间的数据传输与写作进行不断优化，是解决资源分配与增强数据使用效率的高效方法。不同层级的优化可以分为视频优化，TCP优化和其他领域这几个方面。视频优化的采用主要是通过无线端的MEC服务器去接收和处理所接收到的信息，再根据需求选择合适的分辨率，据此找出比特率，这个过程中可以有效的减少信息之间干扰与减少视频延迟概率，极大地提高了用户的舒适度。TCP优化是为了解决网络堵塞时无法进行数据计算的问题，在实际运用中，无线数据的变化非常的快，信道的信息状态难以预测，而采用MEC技术可以在网络拥堵时获得物理层的信息，通过对传统运算的改进可以降低控制算法的拥堵率，提高通道数据传输的效率与可靠性。2.3自回程技术超密集异构网络是当前5G技术中的重点内容，它的通信吞吐量非常之大，这是通过庞大的微型蜂窝的布置对频带反复使用来实现的。图2.5展示了超密集异构网络的基础架构形式。基于传统宏小区部署密集分布微小区，以向属于其范围内的广大用户服务。此外，它基于链接的形式达成与宏基站之间的通讯，然后借由宏基站来访问中央网络。这样的网络体系结构在那些用户比较集中的地方被广泛使用。由于微蜂窝的密集部署以及微蜂窝之间频率资源的复用，整个系统的吞吐量都得到了巨大的提升。微蜂窝一般布置在那些成本和功率都比较低的基站，是因为它们的用户密度和负载都较其他地方要高，同时也更接近于最终用户。这样的方式加大了地区的吞吐量，而且能够有效降低宏基站的负载压力。然而，在微蜂窝布置不断延伸的过程中，链路问题变得尤为重要。基于传统的解决方式，两者之间的通讯线路材料是光纤材料，而且这些线路需要集中布置，因此微蜂窝将不可避免地导致光纤密集铺设，使得成本支出巨大。图2.5超密集异构网络基础架构形式由上述可知，通信网络布置时得满足无线中继链路的要求，以减轻以往对于电缆传输的网络的依附，由此便可以方便实现该形式的网络体系在5G的NR小区间切实可行的布置。5GNR小区的带宽是比LTE的要大的，特别是毫米波段的研发应用上更加明显。加之MIMO以及多波束系统的大量布置，产生了集成的无线接入方案。此方案也叫作自返回，它允许本就分布较为稠密的5G的NR小区的布置能够更进一步的集中且布置方式更加灵活多变。在无线和链路访问链路集合的网络中，时域，频域和空间域中都会有5G中继节点，它可以完美支撑多个无线和回程链路。自动回程模型的接入和回程两条链路在频带选择和采用时没有特别的要求，是否相同均可。频带相同时为In-Band（后文简称IB）模式，频带不同时为Out-Band（后文简称OB）模式。其中，OB对于接入和回程链路的频带或时间间隙有规定，即频带需是互为正交或时间间隙要是一致的。基于这样的情况，能够较好地避免两条链路间的干扰产生。然而，由于大部分的资源都被回程链路所占据，便大大减小的频带的使用率。IB中接入和回程链路两者的频带是相互分享的，其中微基站是FD基站，并且可以为链路接入和连接分配相同的时频资源块。这样，将大大改善频带的使用，但是会导致在同一信道中产生干扰。同一通道中的干扰由两方面组成，一方面来自于FD的发射与接收天线间的干扰。移除后，将残留一些残余干扰。另一部分是接入链路与相邻小区之间的链路之间的同频干扰。具体的干扰产生情况如图2.6所示。近年来，对于自动干扰进行消除的技术在迅速提高，以FD为基础的自动回传技术发展前景十分广阔。图2.6FD自回程系统自干扰模型毫米波通信是5G发展领域的重要内容，其发展有助于抑制频带资源缺乏的问题，同时其在自检链接中的使用也是十分有利的。虽然毫米波的带宽最高为273.5GHz，但是一般取用28GHz附近的频带特别适合。在硬件上直接布置天线的方法能够极大减弱天线与射频电路两者间的损耗率。将自动链接和毫米波通信两种关键技术组合使用，通过结合毫米波通信技术和自动链接技术，不仅频带资源压力得以减轻，其部署也显得更加方便灵活，因此对于电缆传输网络的依赖性也大大降低。2.4MIMO技术根据MIMO系统的理论性能，随着天线数量的增加，其频谱效率和可靠性将得到改善。尤其是当发射和接收天线的数量非常高（数百个）时，随着发射和接收的天线的数量的最小值的增加，大规模MIMO容量显示出近似线性的增长趋势。因此，理论上大规模天线阵列的部署可以大大增加系统容量。然而，在实际布置和施用大规模天线时由于某些技术原因无法实现，因此MIMO系统中天线的真实数量并不会是一个很大的值。例如，该值在LTE和LTE-A中分别仅为4和8。尽管存在很多局限性，但大规模MIMO技术仍具有巨大的研究价值，可以显着提高系统的容量和可靠性。大规模的MIMO的发射器和接收器都安装了大型的天线，这样的技术形式使得能够在一个视频上同时对众多用户提供服务。具体地，这些天线可以同时在基站也就是说在中央同时配置。它也可以分布到多个基站节点以形成分布式配置。其中，海量分布式MIMO对于研究更为宝贵。通常，大规模MIMO技术的突出特点可总结如下：首先，从空间分辨率角度来看，该技术较传统MIMO技术的优势凸显，而且其对空间资源的利用效率更高。其次，该系统发射出的波束更多更密集，这样可以显著减小波束的干扰，进而使得接收装置在对信号恢复时的难度得以降低。第三，从功耗角度来看，该系统仅需很低的功率其发射器即可工作，因此系统总的效率迅速提升，最高大约提升了三个量级。最后，该系统中天线数量庞大，因此信号噪声和干扰便不能对系统整体形成太大的影响，此外，接收装置的处理性能变得越发强大。尽管该该技术在具体的部署时面临了许多挑战和约束，但在进一步的研究之后，这些约束将不可避免地被冲破。该技术在5G中的应用将会越来月普遍，必然会伴随着5G的普及程度而突飞猛进的发展，成为5G的核心。2.5单信道全双工技术如何使用频带中的有限资源来实现频带的更高使用一直是移动通信发展既不的中心问题。响应于该问题，某些技术解决方案继续出现并被应用，例如OFDM技术，QAM调制技术和MIMO技术。在众多技术解决方案中，FD技术在大学环境中受到了极大的关注。FD技术的中心思想可以表示为：大多数现代通信系统都包含既是信号发送器又是接收器的终端设备（例如基站，中继站和移动终端等）。以往的系统当中，这些终端以带外高清或全双工模式运行，这表明信号的传达和接收的频带和时间间隙是不同的。而如果这两者是相同的话，则频带的整体使用可以增加通信系统的两倍频率。该技术称为FD技术。FD技术具有显着提高带宽利用率的潜力，因此其是目前通信领域最有发展潜能的技术之一。FD和HD的频带利用率、拥塞、中断概率、误码率等9个技术指标列入了表2.2中。现有研究指出，FD受到包括干扰信号在内的很多因素的影响。在理论层面来说，信道容量上FD几乎是HD的两倍，但在实际应用层面，受到干扰作用FD的容量并不会达到那么大的值。甚至在自身消除干扰的效果不佳时，FD的性能反而低于HD，而且FD中的硬件更为复杂，还需对其进行全方位的检查。虽然FD受到的影响较大，但其自身具有一定的处理该信号干扰的能力。因此，只要受到的干扰信号控制在其能够处理的范围之内，那么FD的系统容量就可以显著高于HD。第三章5G技术的具体应用——以医院信息化建设为例目前，5G网络技术在医院信息化建设中的应用正处于探索实施阶段，各地医院对5G技术在部分医院信息化建设中的应用的实践。据国家卫生委统计，截至2019年5月，19个省依托互联网或专用网络，建立全省远程医疗综合规划平台，稳步推进互联网+医疗结算服务，世界各地的医疗保险系统与国家数据交换平台进行了对接，住院医院进行了远程治疗；在28个省实施了试点电子医疗卡，在161个市提供了地区医院服务；全国建立互联网医疗机构158家，互联网+医学体系基本建立和发展。展示了5G网络技术在医院信息化建设中的广泛应用.有人认为，5G网络技术在医院信息化建设中的应用主要表现为智慧医以及智慧医院管理。3.1智慧医疗3.1.1远程会诊远程会诊是利用5G网络技术具有高速率的特性，可支持高速传输和数据共享，通过远程会诊和4K/8K医疗数据图像传输，专家可以随时随地进行会诊，诊断精度和指导效率提高，有利于上级医院优质医疗资源与下级医院共享。促进国家医疗资源的重新分配，帮助偏远和农村地区的居民得获得高质量的医疗服务。3.1.2应急救援应急救援行动是通过5G医疗器械网络实时传输，用于观察生命特征和应急报警将患者、车辆位置的实时信息和车辆内外的视频通知远程专家，他们接受上级专家的远程指导，以及远程监护，让医院第一时间控制病人的病情，提前制定急救方案，准备必要的资源，使前方救护车与内部治疗对接。5G医疗云前沿技术可实现医疗数据安全可靠的传输，信息资源共享和信息系统互联互通，为前置急救医院、智能医疗提供可靠的技术支持。3.1.3远程手术5G网络切片技术可以建立医院间专用通信渠道，为不同应用场景隔离网络环境，有效保障远程手术的稳定性、实时性、安全性，远端专家实时掌控手术进程和患者情况，跨地域远程操作指导或管理，及时远程手术帮助基层患者。在疫情等特殊环境下，利用5G网络，可快速形成远程所需的通信环境，提高医护人员的应急能力，降低医护人员治疗病人的成本和感染的风险。3.2智慧医院管理建立医院内医疗设施网络，利用5G海量连接，实现医院医疗设备与非医疗设备的有机衔接，医院的后勤和人事管理，实时监控患者身体特征和医院内调度服务救护、门安全、医院内导航等，提高医院管理和病人体检的效率。医院采用云-网-机结合5G智慧引导机器人，采用5G边缘计算能力，为患者提供自然语义分析人工智能诊断服务，可减轻大厅诊台人员的工作量，提高导诊工作效率，改善服务条件，提高医院服务质量。3.35G技术在医院应用过程中存在的问题及优化建议首先，尽管5G网络技术在医院信息化建设中有着广阔的应用前景，但目前正处于研究的初步阶段，技术应用验证存在缺陷，应用可行性研究，新设备和应用技术仍有待开发和改进。其次，国内对医院信息化建设中5G的使用缺乏统一的标准和评价体系，难以保证质量安全。三是全国各级医院信息化水平差异显著，医疗机构智慧创新应用，医疗质量和数据安全风险。四是全国各级医院信息匮乏，医疗专业人才短缺，难以适应5G新形势医院信息化建设和先进智能医疗系统、远程医疗和系统治疗的应用。五是随着5G网络技术在医院信息化建设中的使用带来医疗机构业态的新变化，公办医院管理结构、人事管理及薪酬制度、治疗服务收费标准、患者支付方式等等都要做出相应的调整。因此，需要加快高速医疗5G等信息基础设施覆盖。同时开展边缘计算平同时开展边缘计算平台等在智慧医疗方面应用的研究，建立智慧医疗网络系统，以满足不同医学情境智慧情景的需要，为更深入地应用5G在医院信息化建设中提供支持。二是加快医院实施5G互联网技术，应用信息技术制定和制定标准，为适应医院信息化建设中5G技术运用的新趋势，充分发挥5G技术在智能医疗服务中的优势。三是要加强规划控制，建立全国范围内各级医疗机构5G医疗智慧网络，建立统一的医疗体系，引导5G医疗产业创新健康良性发展规避安全风险，与不同层次的医院信息系统建设相关。四是要提高医院信息化管理人员的技术水平，及时更新专业理论知识和实践操作技能，适应5G时代医院信息化的新趋势.做好医院信息化建设，培养医疗专业人才，引进和积累工作。最后，应尽快在国家层面引入或完善医院智能医疗质量评估标准，进行5G信息化建设医院的智慧医疗服务以及卫生监督和检测的法律、法规、标准和规范，以适应5G技术在医院信息化建设中的运用。第四章5G网络技术的发展趋势4.1统一技术标准5G网络技术实现了事物之间，人与人之间以及人与人之间的互连和直接通信。未来，5G网络技术的发展趋势是建立统一的技术标准，这也是重要的发展趋势。通过构建全球统一的技术，可以降低终端设备的成本，并在世界范围内实现国际漫游。在未来的发展过程中，5G网络技术将进一步增强通信效果并树立专业标准。因此，需要5G网络技术来加速技术标准的统一，并进一步降低终端建设和全球漫游的成本。今天，中国已经制定了国际5G标准，并积极开展了5G技术标准和技术评估。此外，电子和电气工程师应进一步开发网络技术并制定相应的标准，以为实际应用提供一些帮助。因此，5G网络技术可以进一步提高数据传输的速度和效果，并获得更多的数据流量。4.2构建体系架构在未来的应用过程中，5G网络技术将具有更新的网络机制结构，以实现真正的工作效率。在短时间内，用户可以获得很多信息。5G网络技术正在重新定义丰富的业务场景和新的业务指标。5G系统除了提高峰值速率和替代技术外，还必须构建全新的网络架构，以显着提高移动通信系统的速度。在这一点上，4G网络在单一控制和集中切换方面仍然面临局限性。5G网络技术具有高速，多连接的特点，容易造成网络过载和拥塞的风险。在系统结构设计方面，5G网络技术可以通过应用功能平面系统有效地进行重组，使其与传统网络功能分离，并将其划分为三个不同的功能平面，包括数据平面和控制计划。和检修飞机。在飞机上，5G网络技术计划之间的去耦将更加充分，聚合程度将更高。其中，控制平面负责服务的编排逻辑，网络管理指令和生成信令的控制。数据计划和访问计划的主要功能是执行服务流的传输和执行控制命令。例如，2021年4月14日，5G无人机成功首飞，率先完成国内5G无人机首飞和巡检演示，推动行业应用合作。后续推动联合开展低空数字化SIG和无人机应用深入合作：（1）推动测绘、巡检、安全、物流等无人机应用在深圳5G试点落地，发改委5G业务应用试点；（2）联合推动SpeedSky对空覆盖测试平台，可以与电信合作单独部署发布，进而推动当前、5G网络建设的对空覆盖成为缺省场景；（3）电信无人机飞控平台监管5G探索。4.3智能交互无论是人工智能交互还是无人驾驶汽车之间的数据交换，5G网络技术都必须在其高效率和巨大吞吐量的基础上进行有效应用。在5G网络技术环境中，由于仅1毫秒的延迟时间，要求超高速网络速度和精确时间的远程医疗和无人驾驶汽车等技术将进一步普及。强大的5G网络技术必须支持智慧城市，虚拟现实游戏和实时VR广播等应用，以改变人们的未来生活。除了计算机和手机之外，通过5G网络技术的应用，门锁，宠物项圈，监控摄像头，便携式设备和汽车都可以连接到网络。例如，深圳5G巴士，拥有自动巴士监控运维中心，远程驾驶和高清视频监控，可以实现（1）远程驾驶：远程驾驶TOD、高清视频监控；（2）车内娱乐：高速WIFI上网、4K高清IPTV；（3）精准定位：5G亚米级定位，辅助自动驾驶。4.4生活云端化在5G网络技术环境中，可以更充分地利用云技术，还可以流畅，实时地播放8K视频。在日常娱乐，工作和人们的生活中，都有一个“阴云密布”的身影。此外，由于其极高的网络速度，云驱动器还将取代硬盘驱动器，以更有效地将大文件上传到云中。由于智能应用和智能终端的大规模普及，移动数据服务也面临着日益增长的需求和更丰富的内容。为了不断提高网络访问速度，5G网络技术将根据需要智能推送内容，感知用户的实际需求并改善用户体验。结果，5G网络技术将实时开放无线网络信息，为移动用户提供更加个性化的体验。例如，云PC和云游戏是发挥5G大带宽、低时延能力的成熟场景。虚拟PC在云端生成，手机、PAD、普通电脑均可连接，通过网络交互；性能不受终端硬件限制。云PC可以随时随地的远程办公，云上的视频播放、图片、文档处理等。云游戏是CloudVR的前身，大型游戏存储